深研院新材料學院發(fā)現(xiàn)基于雙中心短氫鍵和電荷轉(zhuǎn)移高效催化分解水的機理
探索先進的、具有空前催化效率的電催化劑，用于析氧反應(Oxygen evolution reaction, OER)，在許多能源轉(zhuǎn)化和儲存系統(tǒng)中具有重要意義，如電解水制氫氣和金屬空氣電池都需要優(yōu)異性能的OER催化劑來降低過電勢。價格低廉的非貴過渡金屬催化劑材料是近幾年的研究熱點。先前，北京大學深圳研究生院新材料學院潘鋒教授課題組首次發(fā)現(xiàn)基于極短氫鍵（氧氧距離為2.54 ?）的雙中心分解水的氧析出催化機理和高性能硅酸鈷鋰催化材料，研究成果以封面文章發(fā)表在催化領(lǐng)域頂級科研期刊ACS Catalysis (ACS Catal. 2018, 8, 466-473, 影響因子IF=10.6)上。
圖一. 鐵摻雜硅酸鈷鋰材料表面的鐵鈷協(xié)同效應，短氫鍵構(gòu)型及其OER性能展示
最近，潘鋒團隊進一步發(fā)現(xiàn)適當含量的鐵摻雜在納米硅酸鈷鋰材料中可以獲得更加優(yōu)異的催化性能：其比活性（specific activity, SA）是未摻雜硅酸鈷鋰的20倍，質(zhì)量活性(mass activity, MA)是40倍，轉(zhuǎn)換頻率（turnover frequency, TOF）達到140倍，在1MKOH電解液中過電勢為0.3V時水分解反應的電流密度達到80 mA cm-2，且析氧反應100小時后沒有任何衰減。該研究成果發(fā)表在近期的國際材料領(lǐng)域頂級科研期刊Nano Energy (Nano Energy，2019, 59, 443-452，影響因子為13.1) 上。
通過實驗與DFT計算結(jié)合，我們闡明了OER催化機理：證明了鐵與鈷之間存在電荷轉(zhuǎn)移的協(xié)同耦合作用，形成了有利于氧析出的雙中心活性位的電子結(jié)構(gòu)，通過質(zhì)子轉(zhuǎn)移使得水分子產(chǎn)生在鐵上，氧氣從鈷位上析出；同時，相鄰的鐵鈷位點上形成了雙中心更短的“極短氫鍵”（氧氧距離為2.47 ?），這種雙中心短氫鍵進一步降低了OER過程中質(zhì)子轉(zhuǎn)移和解離的能壘。
圖二. DFT計算結(jié)果：催化劑表面短氫鍵及質(zhì)子轉(zhuǎn)移與解離能壘
該工作在潘鋒教授指導下，由北京大學新材料學院楊金龍博士后和肖蔭果副教授為共同一作與團隊協(xié)作共同完成。該工作的順利開展得到了國家自然科學基金、中國博士后科學基金、國家材料基因組計劃的支持。
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519301661
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